Химический минимум

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

При одной и той же ионной силе раствора коэффициент активности ионов зависит также от его заряда. Ионы с более высоким зарядом обладают повышенной способностью к образованию ионных пар или ионных ассоциатов и поэтому их коэффициенты снижаются. При расчѐтах можно воспользоваться приближенными значениями средних коэффициентов активности f для ионов с различным зарядом в зависимости от ионной силы раствора.

ПРИМЕР 3:

Определить чему равна ионная сила раствора и активность ионов в 0,08М растворе СаCl2 , содержащем кроме того 0,06М HCl.

Решение:

0,08М 0,08М 2×0,08М

0,06М 0,06М 0,06М

.

Для

Для

моль/л

моль/л

моль/л

ПРИМЕР 4:

Чему равна активная концентрация ионов Ag+, Al+3 и в растворе, содержащем 0,5 г AlCl3 и 0,2 г AgNO3 и 500 г Н2О.

Решение: Рассчитаем моляльную концентрацию (Сm = моль/1000г Н2О) ионов и Ag+

72

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

моль/1000 г Н2О

моль/1000 г Н2О

γ Al+3= 0,15; γС1-, Ag+,NO3- = 0,81

моль/1000 г Н2О моль/1000 г Н2О

моль/1000 г Н2О моль/1000 г Н2О

ПРИМЕР 5:

Определить ионную силу и активность ионов в 0,1 % -м (по массе) растворе Na3PО4. Плотность раствора принять за единицу.

Решение: Определим молярную концентрацию См = моль/л 0,1 %-го раствора Na3PO4

= 174 г/моль

;

См(Na3PO4) = 0,0056 моль/л

γ Al+3 = 0,24; γNa+ = 0,81

моль/л моль/л

Задания к разделу 6.2

1.Рассчитать активную концентрацию хлорида кальция в водном растворе, содержащем 0,925 г СаСl2 в 500 г воды.

2.Определить средний коэффициент активности ионов серебра в водном растворе, в котором в 1000 г воды растворено 0,01 моля АgNO3.

3.Рассчитать ионную силу раствора и активность ионов H2SO4, моляльная концентрация которого равна 0,03 моль/1000 г Н2О.

73

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

4.Определить ионную силу раствора, содержащего 1,5 г

Mg(NO3)2 в 250 г воды.

5.Вычислить значение активности ионов К+ и РО43– в 0,01 М растворе K3РО4.

6.Найти приближенные значения коэффициентов активности ионов Сl–, HРО42–, РО43– в растворе c ионной силой 0,0001.

7.Вычислить активность ионов Са2+ и NO3– в 0,05 М растворе Сa(NO3)2, содержащем, кроме того, 0,05 моль/л НNO3.

8.Вычислить ионную силу и активность ионов в 1 %-м раство-

ре Na2SO4.

9.Вычислить ионную силу и активность ионов в 0,12 Н растворе Fe2(SO4)3, содержащем, кроме того, 0,01 моль/л H2SO4.

10.Вычислить ионную силу и активность ионов в 0,1 %-м (по мас-

се) растворе Fe2(SO4)3. Плотность раствора принять равной единице.

11.Вычислить ионную силу и активность ионов в растворе, содержащем 0,01 моль/л MgSO4 и 0,01 моль/л BaCl2.

12.Рассчитать активность иона водорода в 0,005 Н растворе HCl, содержащем, кроме того, 0,2 моль/л NaCl.

13.Рассчитать активную концентрацию фосфата натрия в водном растворе, содержащем 0,4 г Na3PO4 и 200 г Н2О.

14.Вычислить активные концентрации ионов Fe3+, Са2+ и NO3– в растворе, содержащем 0,02 моля Fe(NO3)3 и 0,02 моля

Ca(NO3)2 в 1000 г воды.

15.Вычислить значения a и μ ОН–- в 0,01 Н NaOH, считая γон– = 0,8.

16.Определить средний коэффициент активности ионов OH– в растворе, содержащем 1,0 г NaOH в 150 г Н2О.

17.Определить средний коэффициент активности ионов сульфата хрома в водном растворе, моляльная концентрация которого 0,01 моль/1000 г Н20.

18.Вычислить активные концентрации сульфата меди и сульфата калия в растворе, содержащем 1,3 г CuSO4 и 0,5 г К2SO4 в 500 г

воды.

19. Вычислить ионную силу растворов и активность ионов;

а) 0,05 М AgNO3; б) 1,3·10–2 М BaCl2; в) 2,5·10–2 М MgSO4.

20.В 1 л раствора содержится по 0,01 моля AlCl3 и Na3PO4. Вычиcлить ионнyю силу раствора и активность ионов. Как

74

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

изменятся μ и активность ионов после добавления к раствору 1 л воды?

21.Чему ровна активность ионов Ag+, Al3+ и NO3– в растворе, содержащем 0,5 г Al(NO3)3 и 0,2 г AgNO3 в 500 г Н2О?

22.Раствор содержит Pb(NO3)2, НCl, СН3СООNa, соответственно, в количестве 0,005, 0,001 и 0,0005 моля в 500 г воды. Рассчитать активную концентрацию каждого из электролитов в этом растворе.

23.Определить средний коэффициент активности ионов сульфата хрома в водном растворе, СМ которого 0,3 моль/л.

24.Рассчитать активную концентрацию хлорида магния в водном растворе, содержащем 0,3 г MgSO4 в 1000 г Н2О.

25.Рассчитать активность иона водорода в 0,005 Н растворе HNO3, содержащем, кроме того, 0,1 моль/л NaNO3.

26.Определить ионную силу раствора, содержащего 0,4 моль/л

AlCl3, 0,3 моль/л CuCl2, 0,2 моль/л ZnSO4, 0,1 моль/л CuCl2.

27.Найти приближенные значения коэффициентов активности ионов Сl–, Са2+ и NO3– в растворе c ионной силой 0,0001.

28.Вычислить ионную силу и активность ионов в 2 %-м K2SO3.

29.Вычислить ионную силу и активность ионов в 0,10 Н растворе Al2(SO4)3, содержащем, кроме того, 0,02 моль/л H2SO4.

30.Вычислить ионную силу и активность ионов в 0,1 %-м (по

массе) растворе Fe2S3. Плотность раствора принять равной единице.

31.Вычислить ионную силу и активность ионов в растворе, содержащем 0,02 моль/л MgSO4 и 0,03 моль/л BaCl2.

32.Рассчитать активность иона водорода в 0,005Н растворе HCl, содержащем, кроме того, 0,2 моль/л NaCl.

33.Рассчитать активную концентрацию фосфата натрия в водном растворе, содержащем 0,3 г Na3PO4 и 200 г Н2О.

34.Вычислить активные концентрации ионов Fe3+ , Са2+ и NO3– в растворе, содержащем 0,02 моля Fe(NO3)3 и 0,02 моля

Ca(NO3)2 в 3000 г воды.

35.Вычислить значения a и μ ОН–- в 0,02 Н NaOH, считая γон– = 0,8.

36.Определить средний коэффициент активности ионов OH– в растворе, содержащем 4,0 г NaOH в 350 г Н2О.

75

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

37.Определить средний коэффициент активности ионов сульфата хрома в водном растворе, моляльная концентрация которого 0,04 моль/1000 г Н2О.

38.Вычислить активность ионов CuSO4 и сульфата калия в растворе, содержащем 1,3 г CuSO4 и 0,5 г H2SO4 в 500 г воды.

39.Вычислить активность ионов Сd2+ и NO3– в 0,07 М растворе Сd(NO3)2, содержащем, кроме того, 0,05 моль/л НNO3.

40.Раствор содержит Sn(NO3)2, Нl, СН3СООNa, соответственно, в количестве 0,005, 0,001 и 0,0005 моля в 500 г воды. Рассчитать активную концентрацию каждого из электролитов в этом рас-

творе.

41. Вычислить ионную силу растворов и активность ионов:

а) 0,02 М AgNO3; б) 1,8·10–2 М СaCl2; в) 4,0·10–2 М MgSO4.

42.Рассчитать активную концентрацию фосфата натрия в водном растворе, содержащем 0,4 г Na3PO4 и 300 г Н2О.

6.3. Слабые электролиты

Степень диссоциации ( ) слабого электролита много меньше единицы, поэтому в растворе устанавливается равновесие между ионами и молекулами растворенного вещества.

К слабым электролитам можно отнести некоторые кислоты: уксусную – СН3СООН, угольную – Н2СО3, сероводородную – Н2S, сернистую – Н2SO3, азотистую – HNO2, ортофосфорную – H3PO4 и др.; основания, образованные р- и d-элементами, а также гидроксид аммония и воду.

Так, диссоциация уксусной кислоты соответствует уравнению:

СН3СООН ↔ СН3СОО– + Н+.

Равновесные концентрации ее частиц можно записать в ви-

де: [CН3СООН], [СН3СОО–], [Н+] и выразить их через величину : [CН3СООН] = СИСХ – СИСХ. [СН3СОО–] = [Н+] = СИСХ, то есть это доля прореагировавшего вещества С.

Подставив эти значения в выражение для расчета константы равновесия или диссоциации, получим (см. Приложение 4):

76

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

Если электролит очень слабый, то есть его константа диссоциации < 0,001, то отношение его исходной концентрации к величине константы СИСХ / КД будет больше, либо равно 100, тогда величиной степени диссоциации в знаменателе можно пренебречь, и зависимость степени диссоциации от концентрации растворенного электролита примет вид

Данное выражение носит название «Закон разбавления Остваль-

да»: При разбавлении раствора слабого электролита в 100 раз степень диссоциации возрастает в 10 раз.

Если же отношение СИСХ /КД < 100, то есть электролит сред-

ней силы, то упростить выражение КД = 2 СИСХ / (1 – )

нельзя, а рассчитывать величину необходимо по квадратному

уравнению

2 СИСХ + КД – КД = 0.

Учитывая вышеизложенные преобразования концентраций, можно вывести формулу зависимости концентрации ионов в растворе слабого электролита от исходной концентрации растворен-

ного вещества:

[СН3СОО–] = [Н+] = СИСХ, а

[CН3СООН] = СИСХ – СИСХ = СИСХ – [Н+], следовательно КД = [Н+]2 / (СИСХ – [Н+]).

(Для слабого основания вместо концентрации ионов водорода в формуле будет стоять концентрация гидроксильных групп). Аналогично предыдущему случаю, если СИСХ / КД > 100 (очень слабый электролит), выражение можно упростить, так как концентрация ионов водорода окажется малой по сравнению с единицей:

КД = [Н+]2 / СИСХ, откуда [H ] КД СИСХ .

Для электролита средней силы, рассчитать концентрацию [Н+] можно по квадратному уравнению:

77

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

[Н+]2 + КД [Н+] – КД СИСХ = 0.

ПРИМЕР 1: Вычислить концентрацию ионов [Н+], α в 0,1М растворе цианистоводородной кислоты константа диссоциации которой Kд =

4,93·10-10 (при 25ºС)

Решение: Напишем уравнение электролитической диссоциации и выражение константы диссоциации.

В этом разделе убрать индексы «р» из ур-ний

В выражении константы диссоциации все величины представлены через концентрации [Н+] и СHCN. В растворе цианистоводородная кислота присутствует частично в форме недиссоциированных молекул HCN, частично она продиссоциировала и существует в виде ионов

Из уравнения диссоциации видно, что [Н+] = []р, подставим эти выражения в уравнение константы диссоциации

, т.к.

то выражение константы диссоциации

можно упростить

, а

моль/л

.

ПРИМЕР 2: Вычислить концентрацию водородных ионов [Н+], α в 0,001М растворе фтороводородной кислоты, константа диссоциации которой

78

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

Из уравнения диссоциации следует:

,

Задания к разделу 6.3

1.Найти степень диссоциации сероводородной кислоты по первой ступени в 0,1 М растворе.

2.Вычислить степень диссоциации гидроксида аммония в 1 Н растворе, если в 1 л этого раствора содержится 6,045 1023 растворенных частиц.

3.Степень диссоциации уксусной кислоты в 1 Н, 0,1 Н, 0,01 Н растворах соответственно равна 0,42; 1,34; 4,25 %. Вычис-

79

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

лить КД уксусной кислоты для растворов указанных концентраций. Зависит ли КД от концентрации СН3СООН?

4.Степень диссоциации слабой одноосновной кислоты в 0,1 Н растворе равна 0,05. Вычислить значения КД и [H+] для этого раствора.

5.Какова концентрация водородных ионов Н+ в 1 Н НСN? Сколько моль ионов СN– содержится в 1,5 л указанного раствора?

6.Определить степень диссоциации и концентрацию ионов ОН– в 0,1 Н NH4OH.

7.Вычислить степень диссоциации азотистой кислоты в ее 0,01 М растворе и концентрацию ионов водорода.

8.В растворе бензойной кислоты С6Н5СООН концентрация ионов водорода 3·10–3 моль/л. Вычислить концентрацию этого раствора (моль/л; г/л), если КД. = 6,1·10–5 .

9.Вычислить степень диссоциации уксусной кислоты в 0,01 Н

растворе, если известно, что в 500 мл этого раствора содержится 3,13·1021 частиц (молекул и ионов).

10.Вычислить концентрацию нитрит-ионов и ионов Н+ в 0,47 %- м растворе азотистой кислоты ( = 1,0 г/см3).

11.Концентрация ионов водорода в 0,1 М растворе борной кислоты составляет 7,6·10–6. Вычислить константу первой стадии диссоциации кислоты.

12.Какой объем воды необходимо добавить к 500 мл 0,1 Н раствора уксусной кислоты, чтобы степень диссоциации ее увеличилась в 2 раза?

13.Имеются 0,1-молярные растворы муравьиной и уксусной кислот. В каком растворе концентрация ионов водорода больше и во сколько раз?

14.Константа диссоциации масляной кислоты С3Н7СООН 1,5·10–5. Вычислить степень ее диссоциации в 0,005 М растворе.

15.Найти степень диссоциации хлорноватистой кислоты в 0,2 Н растворе.

16.Степень диссоциации муравьиной кислоты НСООН в 0,2 Н растворе равна 0,03. Определить константу диccоциации кислоты и значение рК.

17.Степень диссоциации угольной кислоты Н2СО3 по первой ступени в 0,1 Н растворе равна 2,11·10–3. Вычислить К1.

80

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

18.Чему равна концентрация ионов водорода в водном растворе муравьиной кислоты, если = 0,03 ?

19.Вычислить [H+] в 0,02 М растворе сернистой кислоты. Диссоциацией кислоты во второй ступени пренебречь.

20.Степень первичной диссоциации ортофосфорной кислоты в 0,1 М растворе равна 27 %. Вычислить [H2PO4-] в моль/л и г/л.

21.Вычислить концентрацию ОН– ионов в моль/л и г/л в 0,5 Н

растворе NH4ОН; концентрацию раствора NH4ОН в моль/л, при которой = 4 %.

22.Вычислить степень электролитической диссоциации растворов уксусной кислоты: а) 0,5 М; б) 0,2 Н; в) 0,001 Н.

23.В 0,1 М растворе HNO2 [H+] = 0,0068 моль/л. Вычислить константу диссоциации азотистой кислоты.